植物内生细菌研究进展

植物内生细菌研究进展

摘要:植物内生细菌是植物微生态系统的重要组成部分，具有广阔的理论研究价值和开发应用前景。本文从植物内生细菌的概念、生物学作用及其应用等方面对近年来植物内生细菌的研究现状进行了综述,并展望其应用前景，以便为进一步研究和应用这类微生物提供信息。

关键词: 植物内生细菌，固氮作用，绿色菌肥

引言: 植物内生细菌系统地分布于植物体内，与植物在长期系统发育共进化过程中建立了一种和谙联合的关系。植物内生细菌有丰

富的种群多样性，对宿主植物具有内生固氮、生物防治以及促

进生长等多种生物学作用，可应用于防治植物病害、植物内生

细菌联合的生物修复以及作为外源基因的载体等具有广泛的

开发和应用价值，已成为国内外研究的热点。在人们日益重视

人与自然和谐相处的今天,研究和利用植物内生细菌对于替代

或减少农药和化肥的使用,改善农业生态系统,保持植物微生

态系统的生物多样性以及维护农田生态平衡实现可持续发展

都有重要意义。

正文:

1.植物内生菌的发展及概念

植物内生细菌名称的由来是经历了几十年的发展才逐渐形成的。1876 年, Pasteur 从无菌葡萄果汁中提取出内生细菌, 内生细菌由

此逐渐引起了人们的关注[1], 传统观念曾认为健康植物体内不含细菌,从健康植物体内分离获得的细菌是由于消毒不严而受污染引起。直至上世纪20～50 年代, 人们陆续从 30 多种健康植物体内分离到多种内生细菌, 植物体内含有细菌的事实才被肯定。1866 年 De Bary 为将植物组织内生活的微生物与植物表面生长的表生菌(Epiphyte)区别开来, 首先提出了内生菌的概念[2]。1992年Kloeooer 首次提出了“植物内生细菌”(endophytic bacteria)的概念[3]。1995年Wilson将植物内生菌的概念概括为: 植物内生菌是指能在整个或部分生活周期中侵染活植物体, 但对植物组织不引起明显症状的微生物, 包括真菌和细菌[4], 1997 年 Hallmann 等又对植物内生细菌的概念进行了补充, 认为植物内生菌可从植物表面或从植物内部获得, 且它们的存在未使植物的表型特征和功能有任何改变[5]。.综上所述,植物内生细菌至今尚无统一的定义.但普遍认可它应具有如下特征:一是能在活体植物内定殖;二是不引起寄主植物组织结构发生明显变化;三是在正常情况下，一般不引起寄主植物出现病害症状.符合这3个特征的微生物基本上属于内生菌的范畴[6]。

2.内生细菌的种类

内生细菌具有丰富的物种多样性。通过对棉花、水稻、玉米、甘蔗、马铃薯、柑橘等50多种农作物以及果树、蔬菜、杂草中的内生细菌进行的研究[7一15]，发现了包括革兰氏阳性和阴性菌共计54个属。各种农作物及果树等经济作物中发现的内生细菌已超过120种,

大多为土壤微生物种类,其中假单胞菌属、芽胞杆菌属、肠杆菌属以及土壤杆菌属为最常见的属[16]，其中属于芽孢杆菌属的菌株数在多种植物中都为最多。

大量研究表明，不但不同植物种类之间内生细菌的类群存在一定的差异，而且同一植物的不同器官、不同生育期、不同生长地域和生长环境以及不同品种之间也存在明显的差异。.

例如生长在热带、亚热带的植物, 其内生细菌的种类与数量均比生长在寒冷、干燥地区的植物多[17]，如一些地区常下酸雨，叶片中的内生细菌数量将可能随之而发生变化。[18]

3.内生细菌分离与分类

内生细菌分离的方法一般都依赖于传统的平板培养方法，该方法简便、经济，也容易普及，其主要缺点是无法分离得到不可培养的内生细菌，因而不能准确判断植物内生细菌的量与种类。近年来，以 16S rRNA 基因作为系统发育标记为基础，利用非培养方法检测微生物种群的技术应用于植物内生细菌研究，克服了传统培养方法的缺陷，为检测植物内生细菌种群多样性提供了更有效的手段[19] 。

对于现已分离得到的植物内生细菌，一般可分为专性内生细菌与兼性内生细菌。前者指至今只能在植物体内分离得到的细菌；后者指能在植物根际与土壤中分离得到，也能在植物体内分离得到的细菌[20]，而且种类居多。同兼性内生细菌相比,专性内生细菌不能在植物组织外部生存,但是的新组织和植物新植株进行散播。另外,兼性固氮内生细菌可以侵入并定殖到植物内部组织,但与专性固氮内生细菌

不同的是,它们能在植物组织外部存活一定的时间。从植物中分离的固氮螺菌属、草螺菌属、重氮营养醋杆菌和成团泛菌等,都有固氮活性[21]。

4.内生细菌的生物学作用

内生细菌对宿主植物的生物学作用，到20世纪80年代以后才引起人们的注意.现在报道的主要包括有固氮作用、促进植物生长作用以及抗病虫害等抗逆作用[22]。

4.1固氮作用

人们对内生细菌的生物学作用方面最感兴趣的莫过于其内共生固氮作用。目前关于非豆科作物的共生固氮问题的研究,主要有两种思路。其一,利用根瘤菌能够被一些非豆科作物的根毛吸附的特点，在人为条件下使之形成类似根瘤的结构,实现非豆科作物的共生固氮;其二,将固氮基因及相关基因引入禾本科作物使其能自主固氮。这两种思路虽然有一定的可行性,但都存在巨大的困难:经过这种对植物微生态系统和代谢系统的人为改造后,宿主植物需要将很大一部分能量用于固氮作用，从而严重破坏了植物对微生态系统和代谢系统正常的自我调节作用，结果是不但不能促进植物的生长,反而抑制了植物的生长。

研究发现,很多植物内生细菌可以从空气中吸收氮气,并将其固定为化合态氮,这为人们研究非豆科作物共生固氮又提供了一条新思路。这是因为内生细菌与宿主植物之间的充满和谐与竞争的微生态系统，是在长期系统发育过程中共进化的结果,能在最大程度上受到植

物整体水平上的调节。固氮内生细菌与植物之间无论在微生态学上还是在代谢上是一种和谐联合的关系。固氮内生细菌能利用植物产生的多余的能量发挥固氮作用，但又受到植物的这种长期共进化过程中形成的调控系统的宏观调节，植物能始终处于相对较为主动的地位。因而，有效地发挥非豆科作物内生细菌的共生固氮作用，在一定程度上可以取代或减少化肥的使用。这里需要强调的是,固氮内生细菌的内共生固氮与根瘤菌的共生固氮是不同的，前者不形成特化结构,几乎可以在宿主植物的各种营养器官内发挥固氮作用;而后者必须在宿主植物的特定器官上形成根瘤，才能发挥固氮作用.共生体的宿主特异性要强于前者。

4.2促生作用

研究表明，有些植物内生细菌能产生植物促生物质,如植物激素等。在这方面研究最多的是吲哚乙酸、假单胞菌属、芽孢杆菌属等都能产生分泌吲哚乙酸或赤霉素，草生欧文氏菌(Erwinia herbicola)不仅能产生吲哚乙酸,而且还能产生细胞分裂素。这些物质都能有效地促进植物的生长。从墨西哥分离的18株重氮营养醋杆菌(Acetobacterdiazotrophicus)[23]都有产生生长素的能力，表明重氮营养醋杆菌在与植物相互作用过程中不仅能固氮，而且还可以通过生长素的调节作用影响植物的代谢，促进植物生长.最近,我们的一项研究表明，产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)产生的生长素对水稻植株的生长和发育起着重要的调节作用[24] 。

4.3增强宿主植物抗逆境、抗病虫害等作用

傅正擎[25]等用内生菌及其代谢产物与棉花黄萎病菌共培养的方式，证明内生菌可通过促进生长作用来提高棉株的抗逆性。

许多研究表明，内生菌感染的植物对害虫和土壤线虫也有一定的抗性，如草坪草内生真菌对其根茎及地上部分包括叶鞘上的害虫具有一定的抗性。关于内生菌提高宿主植物抗逆性作用机制方面的研究报道较少，主要原因是:一方面，内生菌与宿主植物的相互关系十分复杂;另一方面，内生菌长期生活在宿主植物体内，其生存环境相对稳定，研究者很难建立与内生菌生活相同或相似的环境模型。

因此，目前关于内生菌增强宿主植物抗逆性作用机制的研究结论多为推论性的或者是间接的，归纳有以下几个方面:①内生菌通过影响宿主植物的物质代谢并产生生理活性物质来改变植株的生理特性，提高植物的抗逆性刺激植物生长;②诱导宿主植物产生系统抗性，如Vanpeer[26]等认为内生菌诱导植物产生的IsR，无病程相关蛋白的积累，且能诱导植物产生一些结构方面的抗性;③与病原菌竞争生态位和营养物质吴蔼民[27]等认为，从棉株维管束中分离出的内生菌作为一种能在植物组织中运转、对植物无害或基本无害的细菌，由于它在植物体内有稳定的生存空间从而对侵染棉花维管束的黄萎病菌具有拮抗作用;④一定数量的内生菌及其诱导植物产生的酚类、醒类物质在细胞间隙的积累往往构成病原菌进入植物体内或在植物体内运转的机械、化学屏障。

5.内生细菌的应用前景

由于内生细菌存在于植物体内，可在植物体内长期定殖并传导,

不易受外界环境条件的影响，对植物的生长发育、抵抗病虫侵袭及不良环境等具有维持农田生态平衡、提高作物产量、实现农业的可持续发展广泛的生物学作用，是不可多得天然生物资源,植物内生细菌在如下几个方面可能具有良好的研究或开发应用前景。

5·1 内生生物农药

许多研究已证明，植物体内含有大量的具有防病作用的内生细菌，内生细菌生物农药的开发，在发酵基础上进行次生代谢产物的研究应用前景比较乐观。

5·2 绿色菌肥

使用化学肥料能提高作物产量,但所造成的污染已成为影响人类健康和导致环境恶化的重要因素之一。而目前生物肥料的目标菌主要是从土壤中分离筛选，虽然在室内试验时有的生物菌肥效果较好，但在田间使用时,由于这些对植物具有促生作用的“外来”微生物在与植物根际土壤存在的大量习居微生物的竞争中难于占居优势。因此，效果大多不明显甚至无效。许多研究已证明，内生细菌能够固氮以及分泌刺激作物生长的激素，通过促使作物健康生长而适当地提高了其抗病力和产量,植物内生细菌有可能是生物菌肥的优良目标菌。

5·3 构建植物内生多功能工程菌

随着生物技术的不断发展，利用内生细菌构建益微工程菌,成为国内外研究方向之一。已成功构建了抗虫益微工程菌、固氮益微工程菌、防病益微工程菌等。具有多种功能的工程菌将会不断出现,服务于农业生产[28]。

6.结语

由于农药和化肥的使用以及农田耕作的单一化，使植物和土壤中微生物的多样性大为减少。研究植物内生细菌对于重新建立植物体内细菌的多样性，保护植物减少来自环境和虫害的压力,为植物提供氮肥和植物促生有重要作用。在人们日益重视人与自然和谐相处的今天，植物-内生细菌这种和谐联合的生命形式,为未来生态型农业发展提供了一条重要思路。

参考文献:

[1]刘云霞. 植物内生细菌的研究与应用. 植物保护, 1994,20 (5) : 30～32

[2郭良栋. 内生真菌研究进展. 菌物系统, 2001, 20 (1) :148～152

[3] Kloepper J W, Beauchamp C J. Canadian Journal of Microbiology, 1992, 38: 1219～1232

[4] Wilson D. Endophte- the evolution of aterm, and class-ification of its use and definition, Oikos, 1995, 73:274～276

[5] Hallmann J, Quadt- Hallmann A. Canadian Journal of Microbiology, 1997, 43 (10) : 895～914

[6]杨瑞先,葛晓燕植物内生细菌生物学作用研究进展及应用前景

[7]SamishZEtinger-ThezynskaR-BiekM.Themiero orawithinthetissueoffruitsandvegetables[J].JFoodsci，1963，28(3):259一266.

[8]宋子红，丁立孝，马伯军，等.花生内生菌的种群及动态分析[J].植物保护学报，1999，

26(4):309一14.

[9]BellCR，GADickie，WLGHarvey.EndoPhytieBacteriainGral〕evine[J]，CanJMierobiol，1995，

41:46--53.

[10]GardnerJM,FeldmanAWZablotowiezRM.Identityandbehaviorofxylem-residingbacteriainroug hlemonofFloridaeitrustrees[J].APPIEnvironMierobiol，43:1335一1342.

[11]MisaghiIJ，DonndelingerCR.EndoPhytiebacteriainsymPtom一freeeottonPlants[J]. PhytoPathology，1990，80:808一811.

[12]GagnS,RiehardC,RousseauH，

AntounH.Xylernresidingbacteriainalfalfaroots[J].CanJMierobiol，1987，33:996--1000. [13]DongZ，CannyMJ，McCullyME，etal.Anitrogen一

fixingendoPhyteofsugareanestems[J].PlantPhysiol，1994，105:1139一1147.

[14]FisherPJ,PetriniO

LaPPinSeottHM.Thedistributionofsomefungalandbaeteriaendophytesinmaize [J].New P tol，1992，122(3):249一305.

[15]MisaghiIJandDonndelingerCD.EndoPhytiebacteriainsymPtom-freecottonPlants[JI.PhytoPatho

logy，1990，80(9):808-811.

[16] SturzA V,Christie B R,Norwak J. Bacterial endophytes: potential role in developing

sustainable systems of crop production[J].CriticalReviews in PlantSciences, 2000, 19(1): 1—30

[17]Fisher P J, Prtrinio, Sutton B C. Sydowia. 1993, 45:338～345

[18] 卢镇岳植物内生细菌的分离、分类、定殖与应用

[19]韩继刚,宋未.植物内生细菌研究进展及其应用潜力自然科学进展, 2004, 14(4): 374~379

[20]阎孟红植物内生细菌在防治植物病害中的应用研究. 生物技术通报, 2004, 3: 6~12

[21]冯永君宋未植物内生细菌**国家自然科学基金资助项目(批准号:39770023)

[22]黄丽丽植物内生细菌及其在农业方面的应用研究

[23] Dobereiner J.Symbiosis,1992;13:1-13

[24]吕泽勋,宋未.分析测试学报.1999;18(5):42-44

[25]傅正擎，夏正俊，吴蔼民，等.内生菌防治棉花黄萎病机理[J].江苏农业科学，1999，

15(4):211一215.

[26]VanPeerR，NiemannGJ，SehiPPersB.IndueedresistaneeandPhytoalexinaeeumulationinbiologi

一ealeontrolofFusarium Wiltofearnationbypseud monassP.strainWCS417[J」.Phytopatholog 1991，81:728一734.

[27]吴蔼民，顾本康，付正擎，等.内生菌对棉花黄萎病的田间防效及增产作用IJ].江苏农业

科学，2000，(5):38一39.

[28]易有金内生细菌在植物病害生物防治中的作用